CC BY
15
УДК 621.762.8
В. А. Довыденков, Е. В. Соловьева, О. С. Зверева, Р. С. Сальманов
ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПСЕВДОСПЛАВА, ПОЛУЧЕННОГО ИЗ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА, ЕГО ОКСИДОВ И СВЯЗУЮЩЕГО ПОСЛЕ ИНФИЛЬТРАЦИИ
Ключевые слова: композиции, порошки железа, связующее, восстановленные, инфильтрация, псевдосплав, микротвердость,
прочность.
Дается описание новой технологии производства стальных деталей конструкционного назначения путем формования смесей порошков железа и его оксидов со связующим, вакуумного восстановления оксидов нанодисперсным продуктом пиролиза связующего при спекании и инфильтрации. Показана эволюция структуры и механических свойств полученных псведосплавов в зависимости от времени выдержки при инфильтрации. Проведен анализ химического состава образцов. Результаты показывают, что данная технология имеет преимущества как по сравнению с традиционной технологией прессования и спекания, так и по сравнению с МИМ - технологией. Эти преимущества выражаются как в расширении технологических возможностей по получению деталей сложной формы, так и в снижении стоимости изделий.
Keywords: song, iron powder, a binder, restored, an infiltration, a pseudo-alloy, microhardness and strength.
The description of the new production technology of steel details of constructional appointment by formation of mixes of powders of iron and its oxides with binding, vacuum restoration of oxides a nanodisperse product of pyrolysis binding is given at agglomeration and an infiltration. Evolution of structure and mechanical properties of the received psvedosplav depending on hold time at an infiltration is shown. The analysis of a chemical composition of samples is carried out. Results show that this technology has advantages as in comparison with traditional technology of pressing and agglomeration, and in comparison with the MIME - technology. These advantages are expressed as in expansion of technological capabilities on receiving details of a difficultform, and in depreciation ofproducts.
Одной из наиболее быстро развивающихся технологий порошковой металлургии является МИМ - технология (аббревиатура Metal Injection Moulding) [1]. В настоящее время на мировом рынке предлагаются сотни композиций из высокодисперсных порошков и полимерного связующего для получения фасонных изделий сложной формы из сталей, в том числе нержавеющих, титана, меди, спецсплавов и других. Вместе с тем МИМ - технология находит ограниченное применение, поскольку стоимость МИМ - деталей еще велика и может достигать 70 USD за 1 кг и выше. Это обусловлено, в первую очередь, высокой стоимостью высокодисперсных порошков с размерами частиц 1^30 мкм. Именно поэтому МИМ - детали весом более 100 граммов применяются только в том случае, если МИМ -технология обеспечивает дополнительный эффект кроме конструктивной прочности.
В последние годы разработаны новые методы промышленного получения
металлозаготовок с использованием процессов восстановления оксидов нанодисперсным углеродом, образующимся при термическом разложении полимеров, содержащихся в связующем. Результаты промышленных испытаний этих материалов показали их высокую эффективность. Однако, высокая стоимость этих материалов, обусловленная высокой дисперсностью компонентов и технологией их спекания, все еще накладывает существенные ограничения на их широкое применение в народном хозяйстве.
На наш взгляд для снижения стоимости может быть предложено использование
псевдосплавов, в которых одним из главных структурных элементов является высокодисперсная и высокопрочная фаза с субмикрокристаллической структурой, которая связана более легкоплавким металлом. Такие материалы могут быть, например, получены инфильтрацией медным сплавом заготовок из губчатого железа - продукта углеродного восстановления оксидов.
Большой интерес также представляет увеличение размеров частиц железа в формуемых композициях до величин порядка 100 мкм, что позволило бы применять обычные железные порошки, полученные распылением. Идея технологии заключается в том, что в композициях пространство между крупными частицами железа заполнено смесью оксида и связующего и эта смесь фактически является новым связующим [2-3].
В настоящей работе изучались процессы, проходящие при инфильтрации заготовок, содержащих губчатое железо латунью.
В качестве основных исходных материалов использовались:
- порошок железа с размерами частиц 50-150 мкм;
- оксид железа Ре304, с размерами частиц 1-5 мкм;
- смола фенолформальдегидная СФЖ 3031;
- латунь марки Л63.
Для получения формуемых композиций компоненты смешивались в смесителе миксерного типа с обжатием полученной смеси в валках, последующей сушкой и дроблением. Расчёт рецептуры осуществлялся исходя из требований по вязкости композиций и требований, вытекающих из количества пироуглерода необходимого, для восстановления оксида [2-4].
Композиции формовались прямым компрессионным прессованием в бруски размерами 10х10х55 мм. Полученные бруски подвергались термической обработке в три стадии:
- на 1-й стадии образцы нагревались без доступа воздуха.
- на 11-й стадии образцы нагревались в вакууме.
- на 111-й стадии образцы спекались в среде эндогаза.
Инфильтрация проводилась на специально сконструированном испытательном стенде для определения параметров инфильтрации. В цилиндрический герметичный контейнер устанавливали образец с размерами 10х10х15 мм с размещенным сверху инфильтруемым материалом (латунь Л63). Внутри контейнера помещен щуп с расположенной внутри термопарой для фиксации момента расплавления инфильтрата и температуры. Собранный контейнер закрывался водо-охлаждаемой крышкой и полученную сборку устанавливали в нагревательную шахтную минипечь. Нагрев до температуры расплавления материала инфильтрата осуществляется по заданному режиму. После достижения требуемой температуры и выдержки, нагрев отключали, вынимали и охлаждали контейнер до комнатной температуры. Затем открывали контейнер и вынимали инфильтрованную деталь. Инфильтрация полученных, по вышеуказанной технологии пористых заготовок проводилась при температуре 950°С с выдержкой 600 секунд, 60 секунд, 30 секунд и 15 секунд.
В качестве материала для инфильтрации выступает латунь Л63 с плотностью р = 8,44г/см3. Плотность образцов до инфильтрации составляла 5,23 г/см3. перед инфильтрацией определяли объем открытой пористости методом гидростатического взвешивания и рассчитывали объем инфильтрата.
На рис. 1 приведены структуры композиций после инфильтрации с различным временем выдержки. Микроструктуру исследовали на микроскопе МБС-10.
Структура композиций представляет из себя каркас из частиц крупного железа (50-150 мкм) между которыми расположена высокодисперсная фаза, образованная в результате инфильтрации и последующего взаимного растворения губчатого железа (продукта восстановления оксида) и латуни. Структура железного каркаса - феррит (70-80%) и перлит (20-30%). Границы зерен видны четко, размеры частиц губчатого железа порядка 1 мкм и пор губчатого железа порядка 0,2 мкм.
На образцах определялась плотность, твердость (табл.1), микротвердость при нагрузке 10 г (табл.2). Плотность образцов в зависимости от режима инфильтрации при температуре 950°С имела величину: при выдержке 600 секунд - 7,69 г/см3, при выдержке 60 секунд - 7,68 г/см3, при выдержке 30 секунд - 7,76 г/см3, при выдержке 15 секунд - 7,75 г/см3. Уменьшение плотности, очевидно, обусловлено испарением цинка.
г
Рис. 1 - Структура композиций после инфильтрации с различным временем выдержки: а) выдержка 15 секунд при 1=950°С х200, б) выдержка 30 секунд при 1=950°С х200, в) выдержка 60 секунд при 1=950°С х200, г) выдержка 600 секунд при 1=950°С х200
Анализ химического состава псевдосплава показал, что с увеличением времени выдержки,
содержание Бе увеличивается с 70,38% при выдержке 15 секунд до 73,35 % при выдержке 600 секунд, содержание Си остается практически постоянным (19,22%), а содержание 2и уменьшается (от 10,17 до 7,16 % при увеличении времени выдержки от 15 до 600 секунд). Содержание углерода при любой выдержке находилось в пределах (0,19-0,22) %. Анализ проводился на оптико-эмиссионном спектрометре РМ1-МЛ8ТБК
ит
Микротвердость определялась отдельно на железной частице, на губчатом железе и на медной фазе.
Таблица 1 - Твердость НВ образцов после инфильтрации
Длительность инфильтрации, секунд Твердость НВ, МПа Предел прочности при растяжении, оВ, МПа
600 138 48,3
60 120 42,0
30 107 33,3
15 95 27,5
Таблица 2 - Микротвердость образцов после инфильтрации
600 60 30 15
секунд секунд секунд секунд
Частица 165,7 165,3 169,5 162,3
Fe МПа МПа МПа МПа
Губчато 250,7 207,6 182,5 159,3
е железо МПа МПа МПа МПа
Фаза на 141,8 115,6 98,3 83,5
основе МПа МПа МПа МПа
меди
Заключение
На основании проведённых исследований можно утверждать, что и при использовании крупных порошков железа возможно создание композиций оксид - порошок железа - ФФС для получения изделий сложной формы с достаточным уровнем механических свойств. Испытания на микротвердость показали, что при увеличении времени выдержки при установившейся температуре, значения микротвердости частиц
железного каркаса не изменяется, а губчатого железа и медной фаз увеличиваются.
Структура композиций после инфильтрации определяется кинетикой процессов инфильтрации, а также процессов взаимного растворения компонентов псевдосплава. Инфильтрация латуни в субмикропоры заканчивается уже в течении 15 секунд, далее латунь растворяет губчатое железо, находящееся на поверхности субмикропор, в результате чего области заполненные медным сплавом увеличиваются. Очевидно, протекает также процесс растворения меди в железе. При охлаждении растворенное железо выпадает из раствора в виде частиц, диаметром от 1^3 мкм при выдержке 30 секунд, и в виде частиц, диаметром 5^8 мкм при выдержке 600 секунд. Кинетика этих процессов требует дополнительного изучения.
Литература
1. Довыденков В. А. МИМ-технология: Новые возможности изготовления заготовок/ В.А. Довыденков, Н.А. Крысь, Г.П. Фетисов// Заготовительные производства в машиностроении, 2006, №8. с. 47-50.
2. Довыденков В.А. Технология изготовления деталей сложной формы путём формования и спекания композиций из порошков железа, его оксидов и связующего /В.А. Довыденков., О.С. Зверева//. Порошковая металлургия, 2013, №9/10. с. 137-143.
3. Довыденков В.А. Теоретические и эспериментальные основы формирования состава композиций из порошков металлов, их оксидов и связующего для получения фасонных металлозаготовок В.А. Довыденков, Н.Г. Санникова, О.С. Мерзлякова// Новые материалы и технологии их получения: Материалы УМеждунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 15-17 ноября 2011 г. /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЛИК, 2011г. с. 19-23.
4. Патент РФ 2310542 Металлополимерная композиция для изготовления стальных заготовок / Довыденков В. А. Заявл. 17 июля 2006 г. Опубл. 20 ноября 2007 г.
5. Довыденков В.А., Зверева О.С., Алибеков С.Я., Сальманов Р.С. Влияние вида сырья на динамическую вязкость композиции из порошков металлов, их оксидов и связующего. Вестник КГТУ №6 2013 г. с. 87-89.
6. Крашенинникова Н.Г., Капранова В.И., Алибеков С. Я., Сальманов Р. С. Некоторые особенности термической обработки порошковых материалов на основе железа. Вестник КГТУ №21 2013 г. с128-130.
© В. А. Довыденков - д.т.н., профессор кафедры МиМ ПГТУ, Иошкар -Ола; Е. В. Соловьева - асп. той же кафедры; О. С. Зверева - асп. той же кафедры; Р. С. Сальманов - к.т.н.. доцент кафедры физики КНИТУ, romanova_rg@mail.ru.
© V. A. Dovydenkov - Dr.Sci.Tech., professor of PGTU MIM chair, Yoshkar-Ola; E. V. Solovyova - graduate student MIM chair, PGTU, Yoshkar-Ola; O. S. Zvereva - graduate student MIM chair, PGTU, Yoshkar-Ola; R. S. Salmanov - Ph.D. assistant professor of physics KNRTU, romanova_rg@mail.ru.
